Autotuning-Technik für digital geregelte DC/DC-Wandler

Die neuen digitalen DC/DC-Controller der DC³-Familie von STMicroelectronics werden mit einer Autotuning-Technik ausgerüstet sein. Sie messen Verstärkung und Phase der Regelschleife in der fertig aufgebauten Schaltung. Dadurch wird es einfacher, das Kompensationsfilter zu dimensionieren – mit...

Die neuen digitalen DC/DC-Controller der DC³-Familie von STMicroelectronics werden mit einer Autotuning-Technik ausgerüstet sein. Sie messen Verstärkung und Phase der Regelschleife in der fertig aufgebauten Schaltung. Dadurch wird es einfacher, das Kompensationsfilter zu dimensionieren – mit billigeren Bauteilen und größeren Toleranzen. Das Autotuning sorgt dafür, dass die Regelschaltung stets im optimalen Arbeitspunkt arbeitet – auch wenn sich die Werte der Bauteile durch Alterung verändern.

Tiefsetzsteller mit konstanter Schaltfrequenz sind auf ein Kompensationsfilter angewiesen, um die Regelschleife zu stabilisieren sowie um eine hohe Genauigkeit und kurze Ansprechzeiten zu erreichen. Dieses Filter wird in der Regel als Typ III (Proportional, Integral, Differenzial – PID) konzipiert, kann aber in einigen Fällen zu Typ II (Proportional, Integral – PI) vereinfacht werden. Bei einem typischen DC/DC-Wandler-IC wird das Design des Kompensationsfilters an Hand von Formeln im Datenblatt vorgenommen. Dabei wird davon ausgegangen, dass sämtliche Parameter der Applikation, z.B. die Charakteristika des Ausgangsfilters, genau bekannt sind. In aller Regel kalkuliert man einen gewissen Spielraum sowohl beim Ausgangsfilter als auch beim Kompensationsnetzwerk ein, um Unsicherheiten bei den Parametern der Filterkomponenten und eine alterungsbedingte Drift zu berücksichtigen. Dieser Spielraum kann abhängig von der Applikation unterschiedlich breit gefasst werden. Das so errechnete Ergebnis ist nie optimal und deshalb müssen in einem abschließenden Schritt die Eigenschaften der Regelschleife in der Schaltung überprüft werden, um sicher zu sein, dass die gesetzten Spezifikationen auch eingehalten werden.

Digitale Controller eröffnen neue Möglichkeiten für DC/DC-Wandler. Für die Produktfamilie DC³ (Digital Control DC/DC-Controller) entwickelten STMicroelectronics und DORA (Drivers Onward Research Agency) gemeinsam eine Autotuning-Schaltung, die das fertig aufgebaute Kompensationsnetzwerk automatisch optimiert. Autotuning-Algorithmen waren in den zurückliegenden Jahren ein zentrales Gebiet der akademischen Forschung, auf dem es nach wie vor erhebliche Aktivitäten gibt. Dennoch ist die Zahl der kommerziellen Applikationen dieser Methoden auf dem Markt für DC/DC-Wandler derzeit gering. In erster Linie sind zwei Probleme zu lösen:

  • Abwärtswandler stellen bezüglich der Schleifeneigenschaften sehr hohe Ansprüche, wenn ein wettbewerbsfähiger DC/DC-Wandler implementiert werden soll. Gängige Methoden für das Abstimmen der Schleife – z.B. Ziegler-Nichols – scheiden deshalb aus.
  • Die Gesamtkosten der Schaltung müssen möglichst niedrig gehalten werden. Deshalb lassen sich DSP-basierte Methoden, wie etwa die Rauschkorrelation, nur sehr begrenzt anwenden.

Die für die DC³-Familie entwickelte Autotuning-Technik löst diese Probleme mithilfe einer „Relay Feedback“-Methode [1]. Grundgedanke hierbei ist es, ein Relais, d.h. eine Nichtlinearität, in die Regelschleife einzufügen. Dies erzeugt kontrollierte Oszillationen im System, und man kann die Amplitude und Frequenz des daraus resultierenden Signals messen (Bild 1). Beim Relais handelt es sich um einen einfachen Block, der bei positivem Eingang +d ausgibt, in allen anderen Fällen dagegen –d – vergleichbar einem Schmitt-Trigger. Da das Relais ein nichtlinearer Block ist, lässt sich sein Verhalten nicht mit einer Übertragungsfunktion beschreiben. Eine Alternative ist es, die Beschreibungsfunktion – eine Erweiterung der Übertragungsfunktion für nichtlineare Blöcke – des Relais zu verwenden: